基于雙邊供電時(shí)直流牽引網(wǎng)的故障測(cè)距方法

池代臻

基于雙邊供電時(shí)直流牽引網(wǎng)的故障測(cè)距方法

池代臻

針對(duì)直流牽引網(wǎng)上下行接觸網(wǎng)并聯(lián)，短路后接觸網(wǎng)間產(chǎn)生的短路電流環(huán)流特點(diǎn)，利用求解微分方程的方法實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。在PSCAD環(huán)境下搭建直流牽引供電系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬短路試驗(yàn)，同時(shí)在地鐵現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行短路試驗(yàn)，使用短路電流數(shù)據(jù)對(duì)本文所提出的故障測(cè)距算法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，該故障測(cè)距算法精度較高，不受故障點(diǎn)過(guò)渡電阻的影響。

直流牽引網(wǎng)；接觸網(wǎng)；故障測(cè)距；最小二乘法

0 引言

因地鐵具有效率高、能耗低、集約化等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)得到了快速發(fā)展，越來(lái)越多的城市選擇發(fā)展地鐵作為解決城市交通擁堵的手段[1]。在地鐵的正常運(yùn)行中，直流牽引供電系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，牽引供電系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，必然影響地鐵的可靠運(yùn)行。接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，工作環(huán)境惡劣，易發(fā)生短路故障，是牽引供電系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。在接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障后，需盡快對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位并排除。

國(guó)內(nèi)外對(duì)交直流輸電線路的故障測(cè)距研究較多，故障測(cè)距算法以行波法和基于相量的阻抗法為主[2～4]，行波法具有測(cè)距精度高，不受故障類(lèi)型、線路參數(shù)的影響等優(yōu)點(diǎn)，但是硬件投入成本較高，阻抗法硬件投入少，測(cè)距原理相對(duì)簡(jiǎn)單，測(cè)距結(jié)果受線路參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行方式等因素的影響，測(cè)距精度較低。

目前對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)的故障測(cè)距研究較少，暫無(wú)成熟的故障測(cè)距裝置掛網(wǎng)運(yùn)行。本文提出一種適用于直流牽引網(wǎng)故障測(cè)距的算法，針對(duì)同一區(qū)間內(nèi)上下行接觸網(wǎng)并聯(lián)的特點(diǎn)，利用短路故障后上下行接觸網(wǎng)中出現(xiàn)的環(huán)流，結(jié)合接觸網(wǎng)的阻抗參數(shù)，使用求解微分方程的方法求出故障點(diǎn)的位置。試驗(yàn)結(jié)果表明，該算法測(cè)距精度較高，不受故障點(diǎn)過(guò)渡電阻的影響。

1 直流牽引供電系統(tǒng)模型

地鐵供電系統(tǒng)作為城市電網(wǎng)的負(fù)荷，通常由城市電網(wǎng)高壓饋線向其供電。直流牽引供電系統(tǒng)作為地鐵供電系統(tǒng)的一個(gè)重要的子系統(tǒng)，一般由兩路獨(dú)立的高壓電源經(jīng)主變壓器降壓為33 kV向牽引變電所供電，經(jīng)過(guò)整流機(jī)組再次降壓、整流獲得24脈波直流，向機(jī)車(chē)提供牽引動(dòng)力。直流牽引供電系統(tǒng)原理如圖1所示。

直流牽引變電所的2臺(tái)三繞組整流變壓器的一次繞組為移相繞組，分別移相+7.5°、-7.5°。AC 33 kV經(jīng)1臺(tái)整流機(jī)組降壓整流后，得到12脈波直流，2臺(tái)整流機(jī)組輸出端并聯(lián)后輸出24脈波1 500 V直流。DC 1 500 V經(jīng)饋線，接觸網(wǎng)向電客車(chē)供電，國(guó)內(nèi)采用上下行鋼軌全并聯(lián)作為回流導(dǎo)體，不另外架設(shè)回流線。由于供電電壓低，通常采用上下行接觸網(wǎng)并聯(lián)雙邊供電的方式向電客車(chē)供電。

圖1 直流牽引供電系統(tǒng)原理圖

將直流牽引供電系統(tǒng)中的24脈波整流機(jī)組視為含有內(nèi)電阻、內(nèi)電感的線性電源[5，6]，接觸網(wǎng)和鋼軌網(wǎng)視為恒定電阻和電感的串聯(lián)，建立直流牽引供電系統(tǒng)的模型如圖2所示。

圖2 直流牽引供電系統(tǒng)的模型圖

圖中Ud0、Req、Leq分別為整流機(jī)組等效電壓、等效內(nèi)電阻和等效內(nèi)電感，一般地，牽引變電所內(nèi)整流機(jī)組參數(shù)相同，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里將供電區(qū)間兩側(cè)的等效電源參數(shù)視為完全相等。Rc、Lc分別為供電區(qū)間接觸網(wǎng)電阻、電感，Rr、Lr分別為鋼軌網(wǎng)電阻、電感。對(duì)于相對(duì)位置確定的導(dǎo)體其外電感容易求出，結(jié)合導(dǎo)體的電阻率和截面積等參數(shù)，即可求出牽引網(wǎng)各導(dǎo)體的單位長(zhǎng)度的電阻和電感。

2 測(cè)距原理

接觸網(wǎng)短路故障一般由電客車(chē)受電弓機(jī)械故障引起，即故障發(fā)生前，接觸網(wǎng)中有負(fù)荷電流，為了消除負(fù)荷電流對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響，采用疊加定理將故障電路分解為故障前電路和純故障電路，利用純故障電路實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的定位。

接觸網(wǎng)發(fā)生故障后純故障電路如圖3所示，其中Δu1、Δu2分別為左右側(cè)母線電壓故障分量，Δi1、 Δi2、Δi3、Δi4為各饋線電流故障分量，其中Δi1=Δi4，d為短路點(diǎn)距左側(cè)母線距離（標(biāo)幺值），RF為過(guò)渡電阻，UF0為短路前瞬間短路點(diǎn)處接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌電壓，iF為短路點(diǎn)電流。

對(duì)上下行接觸網(wǎng)構(gòu)成的網(wǎng)孔列回路電壓方程：

式中電流的一階導(dǎo)數(shù)按下式給出的數(shù)值算法求出：

式（1）中僅含有故障點(diǎn)位置d為未知量，理論上將短路過(guò)程中任一時(shí)刻數(shù)據(jù)代入即可求得故障點(diǎn)的位置，為減小接觸網(wǎng)參數(shù)對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響，將4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)代入方程（1），得到矩陣方程，求解該矩陣方程，得到向量b= [b1b2b3b4]T，故障測(cè)距結(jié)果由下式給出：

式中，dR為使用線路電阻參數(shù)測(cè)距結(jié)果，dL為使用線路電感參數(shù)測(cè)距結(jié)果。

圖3 純故障電路圖

現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)表明，接觸網(wǎng)短路過(guò)程通常持續(xù)幾十毫秒，按照現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)裝置數(shù)據(jù)采樣頻率為10 kHz計(jì)算，短路過(guò)程中記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)約有幾百甚至上千個(gè)，為充分利用短路故障過(guò)程中的數(shù)據(jù)信息，并消除個(gè)別數(shù)據(jù)誤差過(guò)大對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響，采用最小二乘法處理冗余矩陣方程，以獲得冗余矩陣方程的優(yōu)化解。對(duì)于形如Ax=b的冗余矩陣方程，其最小二乘解為x=(ATA)-1ATb。

3 算例分析

3.1 仿真數(shù)據(jù)分析

在PSCAD環(huán)境下搭建直流牽引供電系統(tǒng)模型，其主要元件參數(shù)：交流側(cè)系統(tǒng)等效阻抗為零；整流變壓器容量為2.5 MV·A，額定電壓33/2× 1.18 kV，連接組標(biāo)號(hào)為Dy5d0[5]，穿越阻抗百分比8%，半穿越阻抗百分比6.5%；匯流排的截面積為2 213 mm2，接觸線截面積為150 mm2，鋼軌截面積為7 700 mm2，導(dǎo)高4 040 mm，軌距1 435 mm，求得的接觸網(wǎng)單位長(zhǎng)電阻為11.52 mΩ/km，電感為1.03 mH/km；鋼軌網(wǎng)單位長(zhǎng)電阻為21.81 mΩ/km，電感為0.69 mH/km；供電區(qū)間長(zhǎng)度3.5 km。測(cè)距結(jié)果如表1和表2所示。

表1 線路電阻dR測(cè)距結(jié)果表

現(xiàn)場(chǎng)錄波裝置記錄的數(shù)據(jù)表明從短路發(fā)生時(shí)刻起到饋線電流為零，整個(gè)過(guò)程一般持續(xù)幾十毫秒；當(dāng)整流機(jī)組輸出電流大于30 kA時(shí)，整流機(jī)組等效內(nèi)阻抗會(huì)變大，在使用中，圖2中整流機(jī)組線性模型誤差將會(huì)增大；繼電保護(hù)裝置作用下，饋線斷路器在短路電流達(dá)到8 kA時(shí)動(dòng)作；綜合考慮以上因素，選取故障發(fā)生后短路電流處于上升階段10 ms的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)距。

表2 線路電感dL測(cè)距結(jié)果表

上述2表中，誤差定義為求得的故障點(diǎn)位置與實(shí)際故障位置之差與線路全長(zhǎng)的百分比，即：

3.2 模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬試驗(yàn)獲取短路電流數(shù)據(jù)以驗(yàn)證故障測(cè)距算法的準(zhǔn)確性，其試驗(yàn)原理如圖4所示。

圖4 模擬試驗(yàn)原理圖

AC 380 V經(jīng)變壓器和整流橋降壓整流后，得到100 V的6脈波直流。采用兩導(dǎo)線連接兩電源的正極，模擬上下行接觸網(wǎng)，另外一條導(dǎo)線連接兩電源負(fù)極，模擬回流的鋼軌網(wǎng)，接觸器k作為短路點(diǎn)連接正負(fù)極導(dǎo)線，k1—k4為直流空氣開(kāi)關(guān)，額定電流為10 A，以保護(hù)線路和設(shè)備，線路長(zhǎng)度為100 m。數(shù)據(jù)采集裝置經(jīng)電流傳感器同步采集短路過(guò)程中的電流數(shù)據(jù)，采樣頻率為10 kHz。測(cè)距結(jié)果如表3所示。圖5顯示了10 m處短路時(shí)電流的波形及一階導(dǎo)數(shù)。

表3 模擬試驗(yàn)測(cè)距結(jié)果表

圖5 短路電流及其一階導(dǎo)數(shù)波形圖

4 現(xiàn)場(chǎng)人工短路試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述算法的可靠性，在仿真試驗(yàn)與模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又通過(guò)一套故障測(cè)距裝置在廣州地鐵三號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)距驗(yàn)證（驗(yàn)證時(shí)通過(guò)采用雙邊供電、人工模擬接觸線接地短路故障，檢測(cè)并判斷出故障發(fā)生的具體地點(diǎn)位置，并由上位機(jī)顯示其故障信息情況），其故障測(cè)距試驗(yàn)結(jié)果在算法誤差范圍內(nèi)，效果良好。

本次故障測(cè)距試驗(yàn)原理如圖6所示。

試驗(yàn)短路點(diǎn)k位于2個(gè)牽引變電所之間，2個(gè)牽引變電所分別裝設(shè)故障測(cè)距儀，故障測(cè)距儀通過(guò)GPS時(shí)，使故障測(cè)距儀實(shí)時(shí)采集變電所內(nèi)饋線電流和母線電壓的同步采樣。

故障測(cè)距儀由時(shí)間同步模塊、故障測(cè)距儀、電源模塊等組成。數(shù)據(jù)采集部分封裝在一個(gè)模塊盒內(nèi)，其預(yù)留的輸入端口為AC 220 V電源接口，電壓、電流量輸入接口；RS232接口，1pps輸入接口，預(yù)留的輸出端口為USB接口。試驗(yàn)前確定GPS時(shí)鐘是否同步，調(diào)好數(shù)據(jù)采集軟件，做好數(shù)據(jù)記錄和試驗(yàn)錄像，為數(shù)據(jù)分析和對(duì)比驗(yàn)證做準(zhǔn)備。

圖6 試驗(yàn)原理圖

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)距結(jié)果表明：地鐵雙邊供電時(shí)短路試驗(yàn)測(cè)距是可以獲得較為精確的故障定位的，且故障測(cè)距算法較為準(zhǔn)確，測(cè)距算法結(jié)果與實(shí)際距離相差不大，誤差基本在20 m以?xún)?nèi)，能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)直流牽引網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文提出了基于城軌雙邊供電時(shí)直流牽引網(wǎng)短路后接觸網(wǎng)產(chǎn)生環(huán)流電流的故障測(cè)距算法，并通過(guò)仿真數(shù)據(jù)和模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)距算法進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，該故障測(cè)距算法能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)直流牽引網(wǎng)短路故障定位，具有較為實(shí)用的應(yīng)用價(jià)值。

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With regard to characteristics of short circuit circulating current generated by short circuit between paralleled up and down overhead contact lines in DC traction network, the fault location is accomplished by differential equation solution method. By simulating the DC traction power supply system model established under PSCAD environment, simulating the short circuit test in laboratory, executing the short circuit test at subway site concurrently, and verifying the fault location method mentioned in this paper by application of data of short circuit current, the results show that the fault location algorithm has higher accuracy without interference by the transition resistance at the fault point.

DC traction network; overhead contact system; fault location; least square method

U231.8

：B

：1007-936X(2016)03-0039-04

2016-01-25

池代臻. 廣州地鐵集團(tuán)有限公司，工程師，電話：13926011061。